23.09.2018, 14:21 [+3 UTC]
в нашей команде: 2 972 чел. | участники онлайн: 4 (рекорд: 21)

:: РЕГИСТРАЦИЯ

:: задать вопрос

:: все разделы

:: правила

:: новости

:: участники

:: доска почёта

:: форум

:: блоги

:: поиск

:: статистика

:: наш журнал

:: наши встречи

:: наша галерея

:: отзывы о нас

:: поддержка

:: руководство

Версия системы:
7.50 (13.09.2018)

Общие новости:
13.04.2018, 10:33

Форум:
21.09.2018, 12:18

Последний вопрос:
23.09.2018, 13:42

Последний ответ:
23.09.2018, 12:05

Последняя рассылка:
22.09.2018, 17:45

Писем в очереди:
0

Мы в соцсетях:

Наша кнопка:

RFpro.ru - здесь вам помогут!

Отзывы о нас:
28.09.2017, 23:23 »
svrvsvrv
Большое спасибо за подробный ответ [вопрос № 191401, ответ № 275311]
08.12.2009, 01:11 »
Данилов Артем Владимирович
Спасибо за ответ, теперь все ясно! [вопрос № 174985, ответ № 257441]

РАЗДЕЛ • Физика

Консультации и решение задач по физике.

[администратор рассылки: Roman Chaplinsky / Химик CH (Модератор)]

Лучшие эксперты в этом разделе

Лангваген Сергей Евгеньевич
Статус: Академик
Рейтинг: 134
Лысков Игорь Витальевич
Статус: Старший модератор
Рейтинг: 93
epimkin
Статус: Практикант
Рейтинг: 56

Перейти к консультации №:
 

Консультация онлайн # 193519
Раздел: • Физика
Автор вопроса: erokhin.serzh2018 (Посетитель)
Отправлена: 06.09.2018, 17:38
Поступило ответов: 1

Уважаемые эксперты! Пожалуйста, ответьте на вопрос:

Объясните, пожалуйста, Почему холодный воздух опускается вниз (теплый поднимается). Ясно, что холодный воздух более плотный, и одинаковый объем холодного воздуха тяжелее. Но если рассмотреть одно пространство. Почему там холодный воздух будет скапливаться внизу. Ведь если рассмотреть холодный и теплый воздух с точки зрения отдельных молекул (а не каких-то определенных объемов (и в холодном воздухе эти молекулы не связаны между собой)),- они одинаковые (за исключением их скорости (кин. энергии)), так почему эти молекулы холодного воздуха будут скапливаться внизу и наоборот теплый вверху?

Состояние: Консультация закрыта

Здравствуйте, erokhin.serzh2018!

Кое в чём Вы действительно правы - с точки зрения отдельных молекул это явление не имеет особого смысла: диффузия обеспечивает эффективное перемешивания даже газов с существенно отличающимися молекулярными массами, не говоря уж о просто разных температурах, а теплообмен через соударение молекул должен легко выровнять температуру. На микроуровне нет никакой тенденции к скапливанию молекул с разной тепловой энергией на разной высоте.

Конвекция существует исключительно на макроуровне - на уровне рассмотрения объемов и потоков газа, являющихся флюидами (то есть движущихся в некоторой степени подобно жидкостям). Для начала здесь придётся избавится от одного упрощения, используемого во многих молекулярно-кинетических моделях - пренебрежения многими эффектами соударения молекул. На самом деле длина свободного пробега при нормальных условиях исчисляется всего-лишь десятками нанометров - и этот фактор и есть тот самый ограничитель диффузии. Сперва рассмотрим несколько отвлечённый пример: если разделить цилиндр перегородкой, заполнить одну часть азотом, а другую угарным газом (у них одинаковая молярная масса - плотность не будет отличаться), а затем убрать перегородку, потребуется довольно много времени, чтобы эти газы в заметной степени смешались по всему объёму ( в отличии от расширения газа в вакуум, происходящего очень быстро. Но если пренебречь соударениями молекул, эти процессы покажутся крайне сходными)

Теперь рассмотрим следующую ситуацию - пусть в помещении находятся 40 кг холодного воздуха. Теперь в некоторой части поместим, например, 10 кг горячего воздуха. Из-за малой длины свободного пробега и ограниченности диффузии он не распространится по помещению со скоростью теплового движения молекул, перемешавшись с холодным. Однако, поскольку фронт давления распространяется со скоростью звука, связанной со скоростью теплового движения молекул, давление по всему объёму помещения будет примерно выровнено практически мгновенно - и более тёплый воздух буден очевидно иметь более низкую плотность.
А теперь ещё один нюанс - давление в помещении не совсем однородно. В гравитационном поле формируется градиент давления, пропорциональный плотности (да, то самое Δp=ρgΔh, или точнее dp/dh=ρg). И это градиент будет отличаться в объёмах воздуха разной температуры, создавая силу Архимеда, выталкивающую тёплый воздух вверх.

Представим более утрированный пример - пусть горячий воздух изначально находится в очень лёгком пакете с очень большой (но частично сложенной - чтобы он мог свободно менять форму) поверхностью. В данном случае он не будет смешиваться с холодным воздухом - не вызывает сомнений, что пакет с горячим воздухом поднимется к потолку и растечётся по нему, насколько это позволяет площадь поверхности (либо по всему потолку, если она достаточна). В краткосрочной перспективе диффузия достаточно ограничена, чтобы горячий воздух повёл себя точно так же и без пакета (конечно, на границе движущихся воздушных масс произойдёт существенное перемешивание, но значительная часть горячего воздуха всё-равно окажется у потолка, не смешавшись с холодным).

Конечно, здесь можно возразить, что в долгосрочной перспективе температура должна выровняться за счёт диффузии и теплообмена. Да, если речь о разовом добавлении объёма горячего воздуха.
А теперь рассмотрим реалистичный сценарий помещения зимой:

  • через окно на улицу выходит небольшой поток тёплого воздуха, а вместо него в помещение просачивается поток холодного воздуха
  • этот холодный воздух имеет более высокую плотность и опускается к полу, не успев полностью смешаться с воздухом в помещении
  • тем временем, воздух вокруг батареи отопления нагревается
  • этот горячий воздух имеет более низкую плотность и образует поднимающийся к потолку поток
  • диффузия и теплопроводность стремятся выровнять температуру
  • но зоны горячего и холодного воздуха постоянно пополняются и вертикальный градиент температуры в помещении стабилизируется, а не исчезает


А теперь представим обогреватель со встроенным вентилятором. Поток воздуха от него не только менее горяч при той же мощности (просто из-за большего проходящего объёма), но и в значительной степени направлен горизонтально, успевая распространиться по помещению и смешаться с более холодным воздухом внизу. И благодаря этому отличию вертикальный градиент температуры в помещении практически исчезает.

В общем, данный эффект действует вопреки молекулярно-кинетическому процессу диффузии, но он существует поскольку диффузия ограничена столкновениями молекул, что позволяет образовать зоны и потоки воздуха с различной температурой.


Консультировал: Roman Chaplinsky / Химик CH (Модератор)
Дата отправки: 06.09.2018, 21:33

Рейтинг ответа:

+2

[подробно]

Сообщение
модераторам

Отправлять сообщения
модераторам могут
только участники портала.
ВОЙТИ НА ПОРТАЛ »
регистрация »

Мини-форум консультации № 193519
erokhin.serzh2018
Посетитель

ID: 402267

# 1

= общий = | 07.09.2018, 17:17 | цитировать цитировать  | профиль профиль  |  отправить письмо в личную почту пейджер

Спасибо за такой развернутый ответ. Но можно уточнить еще пару моментов.
Хорошо, существуют зоны (области) с различной температурой. И получается, что холодная область опускается вниз, а теплая поднимается наверх только за счет силы Архимеда? (если я правильно понял). И если это так, то за счет чего "работает" эта сила Архимеда (да, есть закон и т.д., но именно за счет чего происходит это "выталкивание" меньшей плотности)
Пожалуйста, объясните. И извините, что трачу Ваше время.

Roman Chaplinsky / Химик CH
Модератор

ID: 156417

# 2

 +1 
 
= общий = | 07.09.2018, 20:09 | цитировать цитировать  | профиль профиль  |  отправить письмо в личную почту пейджер
erokhin.serzh2018:

Как я упомянул, дело в градиенте давления. Часто рассказывают, что сила Архимеда равна весу воздуха (или жидкости), который бы занял тот же объём, но не так часто объясняют как она возникает.

Рассмотрим некий цилиндрический объём воздуха. По формуле Δp=ρgΔh легко сделать вывод, что разность давления на верхнем и нижнем основаниях равна отношения веса этого объёма воздуха к площади основания. Собственно, эта разница уравновешивает вес этого объёма, и именно так и образуется атмосферное давление - оно равно весу выше расположенных слоёв атмосферы на единицу площади.
И эта разница давления на верхнюю и нижнюю поверхность объёма, проинтегрированная по площади, и создаёт силу Архимеда.

А теперь, оставив окружающий воздух таким же, заменим воздух в цилиндрическом объёме на что-то с меньшей плотностью (горячий воздух или газ с меньшей молекулярной массой) при том же давлении. Разница давлений внешней среды между основаниями цилиндра останется прежней, как и порождённая ей сила Архимеда. Но масса и, следовательно, вес самого цилиндрического объёма уменьшится пропорционально плотности. Сила тяжести оказывается меньше силы Архимеда и более лёгкий газ поднимается вверх. Так и работает воздушный шар

 

Возможность оставлять сообщения в мини-форумах консультаций доступна только после входа в систему.
Воспользуйтесь кнопкой входа вверху страницы, если Вы зарегистрированы или пройдите простую процедуру регистрации на Портале.

Яндекс Rambler's Top100

главная страница | поддержка | задать вопрос

Время генерирования страницы: 0.14793 сек.

© 2001-2018, Портал RFPRO.RU, Россия
Калашников О.А.  |  Гладенюк А.Г.
Версия системы: 7.50 от 13.09.2018